王成剛, 余康康, 關(guān)朝江, 崔樂樂

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009; 3.安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

0 引 言

工程結(jié)構(gòu)在整個生命周期會受到來自各個方面的作用,包括自身重量、環(huán)境因素以及地震作用等,每種作用可能引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件微觀或宏觀上的變化,這種變化稱為損傷,每一次損傷都使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件離破壞狀態(tài)更近一步。地震是一種隨機的交替循環(huán)作用,地震交替循環(huán)作用一次,損傷就會累積一次,當損傷累積到一定程度時,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就會產(chǎn)生破壞。由此可見,工程結(jié)構(gòu)經(jīng)受過一次地震后,為了確定工程結(jié)構(gòu)的可利用價值或者為工程結(jié)構(gòu)加固修復提供科學依據(jù),正確地評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷程度非常必要。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷程度一般用損傷指標D來描述。目前,國內(nèi)外學者提出了許多不同類型的地震損傷分析模型,包括基于剛度退化、變形和耗能的單參數(shù)地震損傷模型以及基于變形和耗能的雙參數(shù)地震損傷模型。目前,對建筑結(jié)構(gòu)損傷模型的研究主要集中在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上,而對鋼管混凝土地震損傷模型的研究相對較少,文獻[1-5]對鋼管混凝土柱或鋼管再生混凝土柱進行了研究。

本文基于文獻[6]通過對六方鋼管再生混凝土中長柱進行水平低周反復加載試驗數(shù)據(jù),研究其累積損傷問題,采用部分損傷模型對試件在試驗過程中各個階段的損傷程度進行計算分析和比較研究,得出不同破壞階段損傷量化指標,為基于性能的方鋼管再生混凝土中長柱抗震設(shè)計提供一定依據(jù)。

1 試驗概況

試件具體尺寸如圖1所示,采用的材料有直焊縫方鋼管、P42.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、普通河砂、自來水以及再生粗骨料。再生粗骨料由建筑物拆除廢棄混凝土加工而成,本次試驗均采用100%取代率的再生混凝土,試配強度為C30。試件中所有方鋼管均采用Q235B鋼材,邊長均為160 mm,名義壁厚分別為4、5、6 mm。本文再生混凝土和鋼材的強度試驗方法以及實驗值均參見文獻[7]。本次試驗以軸壓比n、長細比λ和鋼管名義壁厚(含鋼率)為變化參數(shù),設(shè)計制作6個構(gòu)件,試件設(shè)計參數(shù)見表1所列。本試驗采取荷載位移雙控加載法,采用MTS液壓伺服作動器對試件作用水平低周反復載荷。

圖1 試件詳圖

表1 試件基本參數(shù)

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗過程及現(xiàn)象

試件從開始加載直至破壞的各個階段典型照片如圖2所示。圖2中:Δ為柱頂水平加載位移;Δue為彈性極限位移。在力控制加載階段,鋼管無明顯變化,試件處于彈性階段。觀察應變記錄,在鋼管壁應變達到鋼材屈服應變時,改為位移加載。隨著加載位移的逐漸增加,增加到彈性極限位移2倍時,試件受壓面有局部微小鼓曲現(xiàn)象,但肉眼不易察覺,鋼管表面的鐵銹開始剝落(圖2a)。加載位移繼續(xù)增大,增加到彈性極限位移3倍左右時,水平推拉力逐漸達到峰值荷載,試件受壓面有明顯局部微凸曲,鋼管表面的鐵銹剝落明顯,鋼管兩側(cè)壁仍保持平直,在卸載及反向加載過程中,鋼管受壓面的局部凸曲能被逐漸拉平,卸載后殘余變形較大(圖2b)。加載位移繼續(xù)增大,水平推拉力開始降低,鋼管受壓面局部鼓曲加劇,左右側(cè)壁開始鼓曲并越來越明顯,同時在卸載及反向加載過程中,鋼管的局部凸曲不能再被拉平;卸載后,殘余變形繼續(xù)增大,試件進入破壞階段(圖2c)。再生混凝土的破壞形態(tài)如圖3所示。

圖2 方鋼管再生混凝土柱典型破壞特征

圖3 再生混凝土的破壞形態(tài)

從圖3a可以看出,在鋼管鼓曲處再生混凝土完全壓饋再生混凝土柱完全斷裂;從圖3b可以看出,其他部位混凝土保持完整,在距柱底50～150 mm范圍形成沿加載方向轉(zhuǎn)動的塑性鉸,屬于典型的壓彎破壞。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 試件承載力和變形能力分析

試件的屈服荷載Py、峰值荷載Pmax、破壞荷載Pu以及與之對應的屈服位移Δy、峰值位移Δmax、破壞位移Δu計算結(jié)果見表2所列,表2中加載方向正向為推,反向為拉,平均為正向以及反向加載后得出數(shù)值的平均值;屈服荷載采用能量等值法(等面積法)來確定,用位移延性系數(shù)(μ=Δu/Δy)來反映結(jié)構(gòu)延性的大小。由表2可以看出:

1) 試件的延性系數(shù)在2.61～3.46之間,表明方鋼管再生混凝土中長柱的變形性能良好。

2) 隨鋼管壁厚的增加,延性呈增長趨勢,試件的各個特征點處的承載力均有所提高。

3) 隨長細比的增加,試件峰值位移和破壞位移明顯增加,延性系數(shù)也明顯增大,但是試件的承載力均明顯降低。

4) 隨軸壓比的增加,試件各特征點處的位移均有所降低,延性系數(shù)減小,而特征點處的承載力均有所提高。

表2 特征荷載、特征位移和延性系數(shù)計算結(jié)果

2.2.2 剛度退化

在地震作用下,構(gòu)件剛度的退化是抗震性能退化的主要原因之一。根據(jù)文獻[7]建議,本文采用割線剛度來研究反復荷載作用下試件變形性能的變化。在低周反復荷載作用下,剛度退化的形式有2種。本文采用的剛度退化方法根據(jù)試件在每一級加載位移作用下,第1次循環(huán)的峰值荷載和峰值位移計算公式為:

(1)

其中:Ki為第i級加載的割線剛度;+Fi為第i級加載峰值點正向荷載值;-Fi為第i級加載峰值點負向荷載值;+Xi為第i級加載峰值點正向位移值;-Xi為第i級加載峰值點負向位移值。各個試件的剛度退化對比曲線如圖4所示。

圖4 剛度退化曲線對比

從圖4可以看出,隨著加載位移的增加,各個試件剛度退化趨勢基本一致,前期快,后期慢,直到試件完全屈服,剛度退化曲線下降段逐漸趨于平緩。不同壁厚試件的剛度退化系數(shù)在峰值位移(30 mm左右)之前差別不明顯,在加載位移超過峰值位移之后,壁厚較大試件的剛度退化系數(shù)較大,說明較厚的鋼管壁可以增強核心再生混凝土的約束,減緩剛度退化。長細比較大的試件剛度退化系數(shù)較大,說明長細比大的試件剛度退化慢。在荷載未達到峰值之前,軸壓比較大試件的剛度退化系數(shù)較小,說明軸壓比大的試件前期剛度退化較快。

3 抗震損傷指標定量分析

本文在方鋼管再生混凝土中長柱的抗震性能試驗基礎(chǔ)上,分別采用基于剛度退化、變形、耗能的單參數(shù)地震損傷評估模型和基于變形、耗能的雙參數(shù)地震損傷評估模型,分析低周反復荷載作用下鋼管再生混凝土試件地震損傷演化的全過程,并基于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能水準的分類和多個損傷評估模型得出的損傷指標,給出鋼管再生混凝土中長柱在不同損傷狀態(tài)下量化的損傷指標。

3.1 損傷指標的計算分析

3.1.1 基于剛度退化和變形的損傷分析模型

文獻[8]提出結(jié)構(gòu)的破壞與殘余強度和剛度密切相關(guān),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷變量應該為構(gòu)件殘余剛度和彈性剛度的結(jié)合,給出了彎曲剛度的修正損傷指標,即

(2)

其中:D為損傷指標;Ky為屈服點剛度;Ku為極限點的割線剛度;Kr為任意一點的割線剛度。按此方法計算出的損傷指標D見表3所列。

文獻[9]提出彈塑性變形是引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷的主要原因,假設(shè)單調(diào)荷載作用下的極限變形與結(jié)構(gòu)循環(huán)荷載作用下的極限變形相等,那么基于彈塑性變形的損傷評估模型為:

(3)

其中,Δc、Δy、Δu分別為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的彈塑性變形(計算值)、屈服變形、極限變形。該模型沒有考慮反復荷載對損傷的影響,認為反復荷載作用下結(jié)構(gòu)的損傷與單次荷載作用下結(jié)構(gòu)的損傷相當,而且承載力和剛度的變化并沒有體現(xiàn)出來。按此方法計算出的損傷指標D見表4所列。

表3 基于剛度退化損傷分析模型計算的損傷指標

表4 基于變形的損傷分析模型計算的損傷指標

3.1.2 基于耗能的損傷分析模型

在文獻[10]線性累積損傷模型基礎(chǔ)上,文獻[11]認為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件累積損傷模型應考慮疲勞損傷的影響,因此需要建立結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形損傷與疲勞損傷的相互關(guān)系。

變量的計算表達式如下:

(4)

表5 基于耗能的損傷分析模型計算的損傷指標

3.1.3 基于變形和耗能的雙參數(shù)損傷分析模型

文獻[12]在進行了大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)試驗的基礎(chǔ)上,提出了Park-Ang雙參數(shù)損傷模型,此模型綜合考慮了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限變形與滯回耗能,其表達式如下:

(5)

由于本文是基于方鋼管再生混凝土柱的試驗數(shù)據(jù),Park-Ang雙參數(shù)損傷模型中的參數(shù)值不可直接套用,因此本文根據(jù)試件破壞時D取1,反算出方鋼管再生混凝土柱的組合參數(shù)值β,得出的β值見表6所列。按此方法計算出的損傷指標D見表7所列。

表6 試件的組合參數(shù)

表7 基于變形耗能損傷分析模型計算的損傷指標

3.1.4 基于不同損傷模型計算結(jié)果的分析

由表3～表5、表7可知,隨著循環(huán)加載位移的增加,所有試件的損傷都呈近單調(diào)增加,趨勢是一致的,在超過屈服位移而未達到峰值位移時,試件的累積損傷都較小,在達到峰值位移時,試件的累積損傷基本不超過0.4,超過峰值位移后,試件的累積損傷增加較快。在相同循環(huán)位移下,軸壓比較大試件的累積損傷較軸壓比小的大,而且增長得快;長細比較大試件的累積損傷較長細比小的小,而且增長得慢;壁厚較厚試件的累積損傷較壁厚薄的小些,但是影響不明顯。

3.2 方鋼管再生混凝土中長柱損傷量化指標

根據(jù)文獻[14]將建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能水準劃分為基本完好(包括完好)、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌,采用層間位移作為量化指標,具體劃分見表8所列。

表8 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能水準的分類

根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù),可以得到各個試件在加載特征點處的位移值與彈性極限位移之比,見表9所列。

由表9可知,根據(jù)試件在加載特征點處的位移值與彈性極限位移之比,可將試件分為4種狀態(tài):試件頂端位移小于彈性極限位移時,試件處于彈性狀態(tài),屬于基本完好狀態(tài);試件頂端位移達到屈服位移時,峰值位移與彈性極限位移比值在1.5～2.0之間,屬于輕微損壞狀態(tài);試件頂端位移到達峰值位移時,峰值位移與彈性極限位移比值在2.8～3.2之間,屬于中等破壞狀態(tài);試件頂端位移達到破壞位移時,試件處于塑性狀態(tài),破壞位移與彈性極限位移比值在5.1～5.9之間,屬于嚴重破壞狀態(tài)。

表9 試件加載特征點處的位移與彈性位移之比

根據(jù)6個試件在不同循環(huán)加載位移下基于不同損傷分析模型計算出的損傷指標值,得出各個試件在不同Δ/Δue比值下?lián)p傷指標的平均值如圖5所示。由圖5可知:Δ/Δue不大于1時,試件損傷指標值不超過0.1;Δ/Δue不大于2時,試件損傷指標值不超過0.2;Δ/Δue不大于4時,試件損傷指標值不超過0.6;Δ/Δue不大于5時,試件損傷指標值不超過0.9。通過對各個試件累積損傷指標值的綜合分析,給出了方鋼管再生混凝土中長柱基于抗震性能的損傷量化指標,見表10所列。

圖5 不同Δ/Δue比值的損傷指標平均值

表10 方鋼管再生混凝土中長柱基于抗震性能的量化損傷指標

4 結(jié) 論

1) 鋼管再生混凝土中長柱在低周反復荷載作用下,在距柱底一定范圍形成沿加載方向轉(zhuǎn)動的塑性鉸,屬于典型的壓彎破壞,且變形性能良好。隨著循環(huán)加載位移的增大,前期各個試件剛度退化系數(shù)逐漸減小,剛度退化加快,后期剛度退化系數(shù)有所增大,剛度退化變慢。

2) 根據(jù)不同損傷模型計算分析可知,隨著加載位移的增加,所有鋼管再生混凝土試件的損傷都呈近單調(diào)增加,在達到峰值位移之前,累積損傷指標值基本不超過0.4,試件損傷較小,超過峰值位移后,試件的累積損傷增加較快。

3) 隨著軸壓比的增加,鋼管再生混凝土試件的承載力有所提高,但是變形能力減小,剛度退化加快,累積損傷加重;隨著長細比的增加,鋼管再生混凝土試件的承載力降低,但是變形能力提高,剛度退化變慢,累積損傷減輕;隨著鋼管壁厚的增加,鋼管再生混凝土試件的承載力和變形能力均提高,達到峰值荷載之后剛度退化變慢,累積損傷有所減輕。

4) 通過綜合分析各種累積損傷分析模型得出的損傷指標值,并結(jié)合試驗過程中試件破壞形態(tài),本文給出了方鋼管再生混凝土中長柱對應不同抗震性能水準的損傷量化指標,對方鋼管再生混凝土中長柱的設(shè)計具有一定的指導意義。